基于時、頻域的前額葉血氧濃度特征分析*

吳綜，李浩，梁永波 ，陳真誠

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

1 引 言

由于近紅外光譜技術具有安全、無創傷、以及高時間分辨率的特性，使得其在生物醫學光子學領域的應用越來越廣泛[1]。在1977年，Jobsis 發現生物組織對近紅外光具有低吸收性，并首次使用近紅外光譜技術來測量腦組織的血氧變化[2]，開創了利用近紅外光譜技術測量血氧濃度變化的先河。目前，使用近紅外光譜技術測量血氧參數的對象及其廣泛，例如骨骼肌、乳腺組織、皮膚和腦組織等。腦是人體的控制中心，同時也是人體最復雜、功能最強的器官，參與人體的一切活動[3-4]。大腦前額葉作為大腦最重要的區域之一，有著非常廣泛的神經聯系，該區域與人的判斷和記憶、操作、思考等作用息息相關，對人的行為和思維活動有著十分重要的作用[5]。經研究表明，人的特定的行為活動會激活大腦皮層對應的功能區域，從而導致該區域血氧濃度的變化，通過測量該區域的血氧狀態，就能夠對大腦的思維活動作出近似的評價[6-8]。此外，血紅蛋白是氧運輸的主要載體，人體新陳代謝的變化，會引起脫氧血紅蛋白以及氧合血紅蛋白的變化，所以測量大腦皮層血氧濃度的變化還有助于了解血氧的代謝功能，反映人的生理情況[9]。綜上所述，通過對皮層的血氧濃度、光學參數以及血液動力學參數的準確測量，對分析大腦的高級功能，精神病患者的生理活動以及臨床保護都具有重大意義。本研究以近紅外光譜技術為基礎，對21位受試者在運動想象、運動發生以及靜息狀態下前額葉血氧飽和度進行數據采集，分析處理，對深入研究思維活動與實際運動之間關系，以及大腦的活動機理都有著非常重要的意義；此外，由于個體生理差異的存在，腦機接口技術一直發展甚微，本研究也為腦機接口技術的進一步發展提供了一定的理論依據。

2 材料和方法

2.1 研究對象

隨機選取21名大學生，其中11名男生，10名女生，年齡都在18～22歲之間，且身體健康，沒有遺傳病史和運動功能障礙等疾病。

2.2 研究方法

2.2.1實驗原理 由于生物組織在近紅外光波段體現出低吸收性以及很強的散射性，且對近紅外光的散射作用具有高度前向性，以至于近紅外光能夠穿透頭皮、顱骨、腦脊液，到達腦灰質層[10-11]。又氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在近紅外光波段具有不同的吸收特性，于是通過檢測光強的變化就能夠間接反映血氧濃度的變化，再結合修正的朗伯-比爾定律(Lambert-Beer)，就能夠定量計算出血氧濃度的變化量[12]，計算公式如下：

Δ[HbO2]=

Δ[HHb]=

Δ[HbT]=Δ[HbO2]+Δ[HHb]

本實驗采用美國NIRs Medical technologies公司生產的多功能近紅外腦功能成像儀，使用760 nm和850 nm的雙波長發光光源，對21名受試者在實驗過程中大腦前額的血氧濃度變化進行實時檢測，通過NIRStar軟件進行數據采集，采樣頻率為7.81 Hz，使用nirsLAB軟件對采集到的數據進行分析、處理。其中光源及傳感器探頭在大腦額部的分布見圖1，采用對稱分布的格局，8個光源和7個探測器之間形成20個采樣通道，覆蓋前額的整個區域，對各個方位的血氧信號進行全面采集。

圖1光源及探測器在大腦額部的分布圖及采樣通道分布圖(紅色代表光源、黃色代表探測器)

Fig1Distributionoflightsourceanddetectorinthefrontalpartofthebrain(redrepresentsthelightsource,yellowrepresentsthedetector)

2.2.2實驗流程 實驗開始前先對受試者進行5～10 min的任務訓練，任務為右腳做屈伸運動，頻率為1 Hz。為了確保實驗的規范性和準確性，本實驗使用EPRIM軟件提前制作一個動態的實驗流程圖，受試者在實驗過程中只需要根據其提示做出相應的動作即可。由于不同的人、不同的時間段生理參數都有很大差異，因此，本實驗對受試者在靜息、運動想象、運動發生三種狀態下的血氧濃度情況進行連續采集。為了防止外界噪音及外界光對血氧信號產生干擾，整個實驗在一個安靜、光線較暗的環境中進行，整個實驗的時長為8 min，流程見圖2。

圖2 實驗流程圖

3 結果

3.1 時域分析

3.1.1空間配準 通過導入探頭傳感器的位置配置信息以及NIRStar采集到的原始數據，以修正的Beer-Lambert定律為基本原理，nirsLAB軟件就能計算出每個通道的血液動力學狀態。同時通過nirsLAB軟件自帶的3D定位及成像工具，將20個采樣通道和受試者的前額進行精確的空間配準，使得每個采樣通道血氧濃度的變化都反映到對應的前額位置，并以顏色的變化來表示血氧濃度的增大和減小。本研究以氧合血紅蛋白為例，在不同狀態下氧合血紅蛋白濃度的變化情況見圖3，右側條形圖顏色由藍至紅依次表示氧合血紅蛋白相對含量的變化情況，負值表示濃度減小，正值表示濃度增加。由圖可知，運動想象和實際運動都會引起前額葉氧合血紅蛋白濃度的顯著增加，且運動想象引起的血氧濃度變化更加顯著。

圖3從左到右依次為靜息狀態、實際運動狀態、想象運動狀態氧合血紅蛋相對含量3D成像圖

Fig3The3Dimagingofrelativecontentofoxygenatedhemoglobinoffromlefttoright,therestingstateandtheactualstateofmotion

3.1.2曲線分析 選擇圖3所示激活區域的通道，本研究以通道3為例，即圖1右圖中藍色通道，使用Plot工具描繪出該激活區域氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、總血紅蛋白的相對含量變化曲線圖見圖4，其中縱軸表示濃度，單位為mmol/L，橫軸表示時間,單位為s。曲線圖將每一時刻血氧濃度的變化量和時間點一一對應起來，非常直觀的顯示出HbO2、Hb、total Hb在不同狀態下的變化趨勢。由圖可知，在靜息狀態下血氧濃度維持相對穩定，而在任務階段，氧合血紅蛋白的濃度會逐漸增加，脫氧血紅蛋白的濃度會逐漸降低，且在想象運動狀態下的變化量更加顯著。

3.1.3統計分析 運用spss19.0數值統計軟件，定量計算21名受試者在運動想象、運動執行以及靜息狀態下血紅蛋白相對含量變化的平均值見表1。

對21名受試者在靜息狀態、想象運動狀態、實際運動狀態下的血紅蛋白相對含量兩兩之間做配對樣品t檢驗，得出如下結論：運動發生時，大腦額部的血氧飽和度與靜息狀態下相比具有顯著性差異(P<0.01)；想象運動狀態下大腦額部的血氧飽和度與靜息狀態下相比也具有顯著性差異(P<0.01)；想象運動狀態下的血氧飽和度與實際運動狀態下相比具有顯著性差異(P<0.05)。

HbO2HbHbtotal靜息狀態-0.2061E-3±0.000190.0200E-3±0.00021-0.2977E-3±0.00041實際運動狀態0.5181E-3±0.00059-0.0862E-3±0.000150.4319E-3±0.00018想象運動狀態0.1153E-3±0.00101-0.0235E-3±0.000670.0918E-3±0.00110

3.2 頻域分析

使用MATLAB對靜息、運動想象、運動執行三種狀態下的氧合血紅蛋白相對含量分別作傅里葉變換，得到的頻譜圖見圖5，其中(a)、(b)、(c)分別表示靜息狀態、運動想象、運動執行下的頻譜圖。由于個體生理差異的存在，每個受試者的頻譜圖都不盡相同，圖5只是隨機選取的三幅圖。但從頻率的分布可以發現，不管是在任務狀態下還是在靜息狀態下，氧合血紅蛋白濃度變化的頻率分布在0～0.1 Hz之間。由于人的呼吸頻率一般在0.25 Hz左右，心跳頻率在1 Hz左右，因此利用低通濾波能有效濾除呼吸、心跳等生理活動的影響，該結論將有助于腦機接口技術的開發。

圖4HbO2、Hb、totalHb相對含量變化曲線圖

Fig4Thechangeofrelativecontentofoxygenatedhemoglobin,deoxygenatedhemoglobinandtotalhemoglobin

圖5 氧合血紅蛋白的傅里葉譜圖

4 討論

隨著科技技術的進步和發展，生命科學已經成為眾學科中一個非常重要的學科。人腦是人體的控制中樞，對人的生命活動起著絕對的控制作用。然而，前額葉是大腦最重要的組成之一，與人的思維、操作、判斷等功能息息相關[13]，探討前額葉血氧濃度變化的特點，不僅有助于深度研究腦功能機理，而且還能為腦卒中患者的康復治療提供一定的理論依據[14-15]。本實驗使用多功能近紅外腦功能成像儀對21名受試者在下肢運動和想象下肢運動時的前額葉血氧飽和度進行數據采集，由于每個人的生理參數各不相同，以及外界環境未知因素的影響，本實驗中所測得的血氧濃度均為相對值，而非絕對值。通過對實驗數據進行時域和頻域分析，由于個體生理差異的存在，使得結果不盡相同，但是整體特征都具有統一性，具體表現為：在任務狀態下的前額葉血氧飽和度會明顯提高，且運動想象比實際運動更能激活雙側額葉前區，而血氧濃度變化的頻率一般在0.1 Hz以下。該結論對于深度探究腦認知機理，思維與運動之間的聯系提供了一定的基礎，同時也有助于腦機接口技術的進一步發展。